生物炭对红黏土渗透性的影响机理

颜荣涛; 林灿灿; 张芹; 阳明辉; 杨琴; 王国燕; 吴起

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503806

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (10) :4344-4351 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503806

建筑科学

生物炭对红黏土渗透性的影响机理

颜荣涛 ¹ ,
林灿灿 ¹ ,
张芹 ¹ ,
阳明辉 ¹ ,
杨琴 ² ,
王国燕 ¹ ,
吴起 ¹^,^*

作者信息 +

Mechanism of Biochar Influence on Red Clay Permeability

YAN Rong-tao ¹ ,
LIN Can-can ¹ ,
ZHANG Qin ¹ ,
YANG Ming-hui ¹ ,
YANG Qin ² ,
WANG Guo-yan ¹ ,
WU Qi ¹^,^*

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文章历史 +

摘要

土体渗透性作为关键水文地质参数,对地层稳定性分析具有重要意义。生物炭掺入可显著改变土体结构,从而影响其渗透特性。采用甘蔗渣制备生物炭,进行渗透性试验、核磁共振以及扫描电镜测试,综合分析生物炭掺入对红黏土渗透系数的影响规律及作用机理。研究结果表明:生物炭掺入会显著影响红黏土的渗透系数,尤其是当生物炭掺量小于5%时,红黏土渗透系数随生物炭掺量的增加急剧下降。生物炭的制备条件(如热解温度和热解时长)会影响生物炭的结构和性质,但对红黏土渗透性的影响并不显著。核磁共振及扫描电镜测试表明生物炭掺入主要调整了大小孔隙的分布状态,使小孔隙比例增加。同时,生物炭掺入导致的复杂孔隙结构也增加了渗流路径的迂曲度,从而使得红黏土渗透特性降低。研究结果为改良红黏土渗透性提供了理论基础,也给地层稳定性的整治提供了新的思路。

Abstract

As a key hydrogeological parameter, soil permeability is considered significant for stratum stability analysis. The incorporation of biochar is known to alter soil structure and further influence its permeability. Biochar derived from bagasse was prepared, and permeability tests, NMR (nuclear magnetic resonance), and SEM (scanning electron microscopy) were conducted to comprehensively analyze the influence of biochar incorporation on the permeability coefficient of red clay and its underlying mechanisms. The experimental results show that the permeability coefficient of red clay is significantly affected by biochar incorporation. When the biochar content is less than 5%, the permeability coefficient decreases sharply with increasing biochar content. The preparation conditions of biochar (e.g., pyrolysis temperature and duration) are observed to influence its structure and properties, but their effects on the permeability of red clay are not significant. NMR and SEM analyses demonstrate that biochar incorporation modifies the soil pore size distribution, primarily through a reduction in the proportion of large pores. Additionally, the complex pore structure caused by biochar incorporation increases the tortuosity of seepage paths, thereby reducing the permeability of red clay. This study provides a theoretical basis for improving the permeability of red clay and offers new insights for enhancing stratum stability in engineering practices.

Graphical abstract

关键词

甘蔗渣生物炭 / 渗透性 / 生物炭掺量 / 影响机理

Key words

bagasse biochar / permeability / biochar content / influence mechanism

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颜荣涛, 林灿灿, 张芹, 阳明辉, 杨琴, 王国燕, 吴起. 生物炭对红黏土渗透性的影响机理[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(10): 4344-4351 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503806

YAN Rong-tao, LIN Can-can, ZHANG Qin, YANG Ming-hui, YANG Qin, WANG Guo-yan, WU Qi. Mechanism of Biochar Influence on Red Clay Permeability[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(10): 4344-4351 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503806

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地层稳定性是岩土工程的核心课题。其中,土体的渗透特性是控制地层水分迁移状态并影响土体抗剪强度的关键因素,对地层稳定性起着至关重要的作用^[1]。例如,在土体边坡中,渗透性直接决定雨水入渗程度,进而显著影响边坡的稳定性^[2-3]。改良土体渗透性一直是提升地层稳定性的重要途径。传统的改良方法如掺入水泥、石灰、膨润土材料等虽然有一定效果,但存在明显局限性,如易发生脆性劣化、生产与施工过程高耗能且对环境造成破坏^[4-5]。因此,迫切需要探寻经济环保的新型材料,以优化传统的黏土改性方法^[6]。

生物炭作为一种新型绿色材料,因其可再生性、环境友好性和多尺度调控能力,近年来在工程领域受到广泛关注^[7-8]。与传统的改性材料相比,其化学稳定性更强,耐久性更好^[9]。生物炭是由动植物等废弃物在无氧或限氧条件下经过高温热解得到的芳香化合物,具有低密度、高比表面积、孔隙结构丰富等特点,添加生物炭至土体中,会改变土体的物理性质,进而影响土体的水力特性^[10-11]。

目前学者对生物炭混合土渗透特性的影响已展开了广泛的研究,但得出的结论存在显著差异性,这种结果差异性源于生物炭-土壤复合体内部多种因素的复杂相互作用。一方面,部分研究表明添加生物炭会增加土体的渗透系数。杨海丽等^[12]通过核磁共振测试技术研究了生物炭掺量对改性黏土渗透特性的影响规律,结果表明生物炭的添加促使改性黏土内部形成大孔或中孔结构,其渗透系数随着生物炭掺量的增加呈现增大的趋势。李明玉等^[13-14]考虑了不同干密度、生物炭掺量及其粒径对改性黏土渗透特性的影响,同样发现生物炭掺量增加时改性黏土渗透系数逐渐增大,且在干密度较小和生物炭粒径较大时,其渗透系数增加得更为明显。这主要归因于生物炭颗粒本身发达的孔隙结构及其与土颗粒形成的“骨架”效应,创造更优势的渗流通道。然而,Wan等^[15]研究了生物炭的掺量、种类和粒径对粉质黏土渗透特性的影响,却发现随着生物炭的掺量增大,生物炭改性土的渗透系数即存在最优生物炭掺量先减小后增大,此外由于孔隙填充效应,减小生物炭的粒径可以有效降低渗透系数。相反地,Ni等^[16]在有牧草生长的土体上做了长期试验,发现含生物炭的植草土壤的透水性比不添加生物炭的低16倍。此外,Yao等^[17]观察到,生物炭改性花岗岩残积土的渗透系数因生物炭颗粒堵塞大孔隙、减小孔径而呈现逐渐降低的趋势。Edeh等^[18]的系统评估同样证实,当细粒径生物炭添加至粗粒土中时,这种孔隙填充效应导致的渗透系数降低尤为明显。

综上所述,生物炭对土体渗透性的影响是孔隙创造效应与填充效应相互作用的结果,其最终的影响方向与生物炭自身特性、土体类型及结构密切相关^[19]。然而,现有研究大多关注于生物炭对砂土或常规黏土的改性,而针对具有特殊团粒结构红黏土的相关研究尚显不足。红黏土在华南地区分布广泛,其地层稳定性问题亟待解决。同时,广西蔗糖产业产生的大量甘蔗渣废弃物^[20],传统焚烧处理方式不仅造成资源浪费且不利于“双碳”目标的实现^[21]。

因此,现利用甘蔗渣制备细粒径生物炭,系统研究不同生物炭制备条件及掺量对红黏土渗透性的影响。此外,采用核磁共振技术(nuclear magnetic resonance,NMR)和扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)测试进一步分析其内在作用机理。通过探索生物炭对黏土抗渗改性效果,为生物炭-红黏土在工程中减少降雨入渗、提高地层稳定性的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用土样为桂林市具有代表性的红黏土,取样深度约为0.5 m。土样取回后放置干燥通风处,自然风干,然后使用橡胶锤粉碎块状土样,取过2 mm筛后的土样备用。按照《土工试验标准》(GB/T 50123—2019)^[22]测定土样的比重、液塑限、最大干密度、最优含水率等基本物理参数,测试结果如表1所示。结合筛分法和密度计法得到的土体颗粒级配分析结果,如图1所示。根据以上基本物理性质参数,判断该土为低液限黏土。

试验采用自行制备的甘蔗渣生物炭,制备步骤如下:首先将干燥充分的甘蔗渣充分研磨、粉碎,并过0.075 mm筛得到细颗粒甘蔗渣粉末。随后将该粉末置于坩埚中并用锡箔纸包裹严实以隔绝氧气,使用马弗炉按试验设计的温度和时间保持恒温热解,待冷却至室温后得到试验所需的细颗粒生物炭,其微观结构特征如图2所示。从图2中可以发现,随着热解温度和时长的增加,制备的生物炭颗粒尺寸变小,表面更加粗糙。试验用生物炭的基本性质如表2所示,生物炭的产率为生物炭与原生物质的比值。依据《木炭和木炭试验方法》(GB/T 17664—1999)^[23]测试生物炭的灰分,具体过程为:称取一定质量的生物炭放入马弗炉中,在1 073.15 K下持续恒温热解4 h,以最终残留物质量与所取生物炭质量之比作为灰分。使用全自动比表面积分析仪通过多点BET法得出生物炭的比表面积。

1.2 试验方法

采用宏微观相结合的试验方法,重点关注不同烧制温度和时长的生物炭改良红黏土的渗透特性,并基于NMR和SEM结果进一步揭示生物炭对红黏土渗透性的改性机理。具体的试验方案如表3所示。

1.2.1 界限含水率试验

界限含水率通过影响土体的孔隙结构、水分形态,进而决定渗透性的变化规律,是研究土体渗透特性的重要参数^[24]。为了深入了解生物炭对该土样渗透特性的影响,使用液塑限联合测定仪对不同的生物炭混合土试样进行界限含水率测试。试验的基本步骤如下:将碾碎烘干后的土样过0.5 mm筛,按照每组200 g预先掺好的生物炭混合土料平均分成3份,基于试验方案计算所需掺入生物炭的质量,与适量蒸馏水混合并拌和均匀。为保证土样中水分分布均匀,将制备好的土样装入密封袋中,并静置24 h。随后,依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)^[22]开展界限含水率试验,记录并整理试验数据。

1.2.2 变水头渗透试验

试验所用仪器为南京土壤仪器厂生产的TST-55型变水头渗透仪,采用静压法制备直径61.8 mm、高度40 mm的环刀试样,并控制试样含水率为19.91%,干密度为1.4 g/cm³。变水头渗透试验具体流程如下:首先将饱和试样装入渗透仪器中,并将渗透容器与变水头装置连通,通过排气阀排除容器底部的空气,直至溢出水中无气泡;向变水头管中注入纯水至预设高度后,关闭止水夹,使负压装置和容器接通,通过水头下降高度与时间的关系计算该试样的渗透系数,重复5次试验允许试验结果在误差范围内,根据达西定律计算结果取平均值,计算公式为

(1)

${k}_{T}=2.3\frac{aL}{At}\mathrm{l}\mathrm{g}\frac{{H}_{1}}{{H}_{2}}$

式(1)中:k_T为水温T时试样的渗透系数,cm/s;a为变水头管断面面积,cm²;L为渗流路径,即试样高度,cm;A为试样的断面积,cm³;H₁为初始水头,cm;H₂为终了水头,cm;t为水经过的时间,s。

(2)

${k}_{20}={k}_{T}\frac{{\eta }_{T}}{{\eta }_{20}}$

式(2)中:k₂₀为标准温度为20 ℃时试样的渗透系数;η_T为温度T时水的动力黏滞系数;η₂₀为20 ℃时水的动力黏滞系数。

1.2.3 核磁共振试验

为了分析生物炭-黏土对渗透系数的影响机制,采用苏州纽迈公司生产的MacroMR12-110H-1型NMR仪进行对不同生物炭-黏土的孔径分布进行核磁共振试验,分析生物炭对黏土的渗透特性的影响机制。核磁共振(NMR)技术作为一种无损检测方法,不仅能够高效、精确地分析土体的孔隙结构特征,而且可以测试宽广范围内不同尺度孔径的孔隙分布^[25]。

具体的试验操作步骤如下:首先将生物炭与黏土充分混合,使用四氟乙烯环刀制备圆柱状试样(直径45 mm,高20 mm)。随后,将试样进行抽真空处理(持续6 h),再静置24 h以上,以确保其完全饱和。为了防止试样对仪器的污染或损坏,使用保鲜膜将样品完全密封。在进行试验之前,需要提前开启NMR仪器预热至稳定的工作状态,并对仪器进行调试校准,确保仪器的各项参数准确可靠。根据所测试土样的特性,选择适合该土样的脉冲序列,并设置相应的仪器参数,以获得最佳的测试效果。随后,将密封好的样品置于NMR仪的探头中,确保样品与探头的中心对齐。最后启动采集回波衰减曲线,测试横向弛豫时间T₂分布情况。

2 试验结果与分析

图3展示了热解温度573.15 K下持续恒温热解2 h生物炭-黏土混合土的液塑限受生物炭掺量的影响情况,随着生物炭的增加,混合土土体的液限和塑限逐渐提高。当生物炭掺量从0增加到7%时,生物炭混合土的液限从40.25%增大至45.61%,塑限从19.07%增大至23.29%。这与Yang等^[26]的研究结论一致,即生物炭混合土的液限和塑限均会随着生物炭的含量增加而增大。这主要归因于生物炭的高比表面积、多孔结构对水分的强吸附能力及其表面官能团对水合作用的增强。然而,Veena等^[27]发现生物炭的添加会显著降低膨润土-砂混合土的液限,但其塑限依然随着生物炭的添加而增大。这说明生物炭改性不同类型土体时其相互影响作用并不一致。

为了进一步理解生物炭对改良红黏土液塑限的影响,图4展示了不同热解温度制备生物炭改良红黏土的液塑限结果。当生物炭掺量和其他条件保持一致时,液塑限随温度的升高呈现略微升高而后降低的趋势,在热解温度为773.15 K时,其液限和塑限最高。上述结果可能与以下因素有关:生物炭低温热解时,表面仍保留较多的含氧官能团(如羧基、羟基),这些官能团具有亲水性,能够促进水分吸附,从而提升黏土-生物炭复合体系的持水能力^[28]。高温热解时,生物炭容易发生脱氢、脱氧反应,如温度升高至883.15 K时,其表面含氧官能团逐渐热解消失,疏水性增强^[29-30]。此外,高温时生物炭的孔隙结构发育更为成熟,微孔和中孔比例增加,出现液塑限随温度的升高呈现先增大后减小的趋势。

图5展示了生物炭-红黏土的渗透系数随生物炭掺量的增加的变化规律,从图5中可以发现,随着生物炭掺量的增加渗透系数均在降低。当生物炭掺量较小时(≤5%),渗透系数呈现快速降低的趋势。掺入5%生物炭后,试样的渗透系数相较于未改良试样,几乎降低了一个数量级。随着生物炭掺量的继续增加,土体渗透性虽然仍在降低,但是变化幅度较小。因此可以认为改良土体时生物炭掺量最佳为5%,这与Ankit等^[31]的研究结论一致。生物炭掺量较少时,其颗粒可直接填充于黏土中的较大孔隙或裂隙,从而堵塞了主要的渗流通道,引起渗透系数的快速下降^[32]。而当生物炭掺量超过5%之后,土体大孔隙已经基本被完全填充,生物炭内部微孔成为新的渗透路径^[15]。

在研究生物炭热解温度的影响时,选择了2%、5%两个生物炭掺量进行横向对比。从图6中可以直接看到,当热解温度从573.15 K增加到873.15 K时,生物炭-黏土混合土的渗透系数呈现先小幅度降低而后明显增大的趋势。掺入制备热解温度为773.15 K的生物炭,土体渗透系数最小,即抗渗效果最好。生物炭掺量2%比5%时,土体渗透特性变化更为显著,说明低掺炭量时土体渗透系数受生物炭制备温度的影响更大。生物炭在573.15 K时,炭化程度较低,大部分原料仍处于未完全分解状态,较多的有机物和挥发性成分得到了保留。在773.15 K热解条件下,生物炭更稳定,孔隙结构更发达但孔径更小,可以有效填充黏土颗粒间的孔隙,减少连通的孔隙通道^[33]。这种稳定的微孔结构会显著降低土体整体渗透系数,达到最佳抗渗效果。而873.15 K热解的生物炭因过度炭化,微孔可能因高温导致生物炭的骨架结构坍塌或合并,形成大孔或裂隙^[34],进而形成连通的渗流通道,最终土体渗透系数反而增加。

图7展示了两种生物炭的热解时间对改性红黏土渗透系数的影响结果。从图7可知,生物炭热解时间对土体渗透特性的影响规律并不一致。当温度为573.15 K时,热解4 h的生物炭比热解2 h的生物炭对土体渗透特性的影响更加显著。而对比热解温度为773.15 K的生物炭,得出的结论却正好相反。推测出现这种情况的原因是,生物炭在773.15 K热解2 h时已经基本热解完全,此时继续延长热解时间,生物炭会因过度炭化从而影响土体改良效果。值得注意的是,当热解温度相同时,生物炭的不同热解时长变化对土体渗透特性改良效果差异并不显著。从表2中同样可以观察到,生物炭的性质受热解时长的影响并不大。

3 生物炭掺入对红黏土渗透性的影响机理

为揭示生物炭掺入对红黏土渗透性的影响机理,以573.15 K和773.15 K温度制备2 h的生物炭为例,分析不同掺量下生物炭对红黏土孔隙结构的影响及其渗透性调控作用。图8为不同生物炭掺量条件下土样的核磁试验结果。从图8可以观察到,未掺入生物炭的样品其弛豫时间的主峰出现在约1 ms的位置,而次峰则覆盖了较宽的范围,分布在10~300 ms。随着生物炭掺量的增加,次峰的弛豫时间逐渐向左移动,尤其在掺量达到5%时,弛豫时间大于100 ms的信号几乎消失。这一现象与宏观试验结果相一致,在掺量达到5%之前,红黏土的渗透系数显著降低。这也说明,生物炭的掺入导致红黏土的孔隙结构发生了显著变化,尤其是大孔隙和中孔隙的数量逐渐减少,从而使得混合土的结构更加致密。究其原因,生物炭颗粒可能通过填充红黏土原有的孔隙空间,特别是较大孔隙,以及可能影响土颗粒的团聚方式^[35],从而降低了孔隙的连通性并增加了水流的阻力,这从微观层面解释了渗透性的降低。然而,Wong等^[36]发现花生壳生物炭反而会增加生物炭-黏土结构中的大孔或中孔数量,这与本研究的结论存在差异。这种差异可能主要源于生物炭的种类(如原料)、制备条件(影响理化性质)以及粒径分布不同。所使用的较细粒径的生物炭以填充作用为主,而Wong等^[36]使用的生物炭可能因粒径较大或表面性质差异,促进了新的孔隙形成。

除了掺量,生物炭的热解温度也是影响其对渗透性改性效果的关键因素。结合生物炭改性红黏土的核磁共振技术结果和图2提供的SEM结果,可以发现在不同温度下热解得到生物炭,其结构存在明显差异。为进一步分析其机理,图9给出了生物炭-红黏土相互作用示意图。甘蔗渣生物炭在热解过程中会发生明显的形态演变:从原始的棒状纤维结构(在较低温度下保留更多)逐渐向片状碳骨架转变,这与郑丽颖等^[37]的结果类似。在773.15 K热解条件下,生物炭呈现为片状与残余棒状共存的混合结构,这些混合结构可能通过以下机制降低渗透特性。不同形态生物炭产生的界面交接处形成的微孔结构更复杂,增加了渗流路径的迂曲度,阻碍渗流过程。相比之下,当热解温度进一步升高时(如超过773.15 K),生物炭结构可能完全碳化并重排,形成相对均一的片状形态,其与黏土颗粒的堆积方式以及形成的界面结构不同于混合结构。纯碎散片状颗粒与黏土混合可能主要形成层状或裂隙状的孔隙。这些孔隙的连通性或其对水流的约束作用可能不及混合结构生物炭形成的复杂网络强烈。因此,较高温度下形成的均一片状生物炭对渗透性的降低效果可能相对较弱。生物炭的结构形态转化对调控改性土体的渗透性也极为重要,值得在未来的研究中进一步探讨和验证。

4 结论

厘清了不同制备条件及掺量的细粒径生物炭对红黏土渗透特性的影响规律,并结合微观试验对其内在作用机理进行了分析,得出如下结论。

(1)生物炭掺入会显著影响红黏土的渗透特性,主要表现为:当生物炭掺量小于5%时,随着生物炭掺量的增加,红黏土渗透系数急剧下降,在掺量大于5%后降幅趋缓。

(2)尽管不同的热解温度和时长显著影响了生物炭自身的性质和微观结构,但其掺入红黏土后,对复合材料的渗透性影响有限,渗透系数的变化幅度相对较小。

(3)生物炭掺入红黏土后会减小土样大孔隙结构比例,同时复杂的孔隙结构增加了红黏土渗流路径的迂曲度,从而降低了其渗透性。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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